Over 100 years of studies in Drosophila melanogaster and related species in the genus Drosophila have facilitated key discoveries in genetics, genomics, and evolution. While high-quality genome assemblies exist for several species in this group, they only encompass a small fraction of the genus. Recent advances in long read sequencing allow high quality genome assemblies for tens or even hundreds of species to be generated. Here, we utilize Oxford Nanopore sequencing to build an open community resource of high-quality assemblies for 101 lines of 95 drosophilid species encompassing 14 species groups and 35 sub-groups with an average contig N50 of 10.5 Mb and greater than 97% BUSCO completeness in 97/101 assemblies. These assemblies, along with detailed wet lab protocol and assembly pipelines, are released as a public resource and will serve as a starting point for addressing broad questions of genetics, ecology, and evolution within this key group.

Abstract The light-harvesting-reaction center (LH1-RC) core complex of purple photosynthetic bacterium Rhodobacter ( Rba .) sphaeroides is characterized by the presence of both a dimeric form and a monomeric form. Following structure determination of the monomeric LH1-RC including its previously unrecognized component designated protein-U ( Nat. Commun . 12 , 6300, 2021), here we present cryo-EM structures of the dimeric LH1-RC from native Rba. sphaeroides IL106 at 2.75 Å resolution and from an LH1-RC monomer lacking protein-U (ΔU) at 2.64 Å resolution. The native dimeric core complex reveals many asymmetric features in the arrangement of its two monomeric components including the structural integrity of protein-U, the overall LH1 organization, and the rigidities of the proteins and pigments that form the complex. PufX polypeptides play a critical role in connecting two monomers, with one PufX interacting at its N-terminus with another PufX and an LH1 β-polypeptide in another monomer, in good agreement with biochemical analyses. One of the proteins-U was only partially identified in the dimeric structure, signaling significantly different degrees of disorder in the two monomers. The ΔU LH1-RC monomer revealed a half-moon-shaped structure containing 11 α- and 10 β-polypeptides (compared with 14 of each in the wild type), indicating a critical role for protein-U in controlling the number of αβ-subunits required for correct assembly and stabilization of the LH1-RC dimer. The structural features are discussed in relation to the unusual topology of intracytoplasmic photosynthetic membranes and an assembly model proposed for the native Rba. sphaeroides dimeric LH1-RC complex in membranes of wild-type cells.

Abstract While the majority of Drosophila species lay eggs onto fermented fruits, females of D. suzukii pierce the skin and lay eggs into ripening fruits using their serrated ovipositors. The changes of oviposition site preference must have accompanied this niche exploitation. In this study, we established an oviposition assay to investigate the effects of commensal microbes deposited by conspecific and heterospecific individuals, and showed that presence of microbes on the oviposition substrate enhances egg-laying of D. melanogaster and D. biarmipes , but discourages that of D. suzukii . This result suggests that a drastic change has taken place in the lineage leading to D. suzukii in how females respond to chemical cues produced by microbes. We also found that hardness of the substrate affects the response to microbial growth, indicating that mechanosensory stimuli interact with chemosensory invoked decisions to select or avoid oviposition sites.

Long-read sequencing is driving rapid progress in genome assembly across all major groups of life, including species of the family Drosophilidae, a longtime model system for genetics, genomics, and evolution. We previously developed a cost-effective hybrid Oxford Nanopore (ONT) long-read and Illumina short-read sequencing approach and used it to assemble 101 drosophilid genomes from laboratory cultures, greatly increasing the number of genome assemblies for this taxonomic group. The next major challenge is to address the laboratory culture bias in taxon sampling by sequencing genomes of species that cannot easily be reared in the lab. Here, we build upon our previous methods to perform amplification-free ONT sequencing of single wild flies obtained either directly from the field or from ethanol-preserved specimens in museum collections, greatly improving the representation of lesser studied drosophilid taxa in whole-genome data. Using Illumina Novaseq X Plus and ONT P2 sequencers with R10.4.1 chemistry, we set a new benchmark for inexpensive hybrid genome assembly at US $150 per genome while assembling genomes from as little as 35 ng of genomic DNA from a single fly. We present 183 new genome assemblies for 179 species as a resource for drosophilid systematics, phylogenetics, and comparative genomics. Of these genomes, 62 are from pooled lab strains and 121 from single adult flies. Despite the sample limitations of working with small insects, most single-fly diploid assemblies are comparable in contiguity (>1Mb contig N50), completeness (>98% complete dipteran BUSCOs), and accuracy (>QV40 genome-wide with ONT R10.4.1) to assemblies from inbred lines. We present a well-resolved multi-locus phylogeny for 360 drosophilid and 4 outgroup species encompassing all publicly available (as of August 2023) genomes for this group. Finally, we present a Progressive Cactus whole-genome, reference-free alignment built from a subset of 298 suitably high-quality drosophilid genomes. The new assemblies and alignment, along with updated laboratory protocols and computational pipelines, are released as an open resource and as a tool for studying evolution at the scale of an entire insect family.

Abstract Thermal plasticity of animal color patterns has been studied to investigate the molecular mechanisms of phenotypic plasticity. There are examples in which the formation of color patterns is controlled by a morphogen. The extracellular distribution of a morphogen can be plastic with temperature change. Whether alteration of morphogen distribution with temperature change produces thermal plasticity in color patterns has not been studied. To address this question, polka-dotted wing spots of Drosophila guttifera , whose inducer is wingless morphogen, can be a suitable model system. In this study, we reared D. guttifera at different temperatures to test whether wing spots show thermal plasticity. We found that wing size becomes larger and spot size adjusted with wing size becomes smaller at lower temperatures. We also changed the rearing temperature in the middle of the pupal period and found that the most sensitive developmental period for wing size and spot size is different. The results suggest that developmental mechanisms for the thermal plasticity of wing size and spot size are different. We also found that the most sensitive stage for spot size was part of the pupal period including stages at which wingless is expressed in the polka-dotted pattern. Therefore, it is suggested that temperature change might affect the process of specifying spot areas by Wingless in the extracellular region.

Abstract Oviposition site choice has a large impact on offspring performance. Unlike other vinegar flies that colonize decaying fruits, Drosophila suzukii lay eggs into hard ripening fruits by using their enlarged and serrated ovipositors (oviscapts). This behavior has an advantage over other species by providing access to the host fruit earlier and avoiding competition. However, the larvae are not fully adapted to a low-protein diet, and the availability of intact healthy fruits is seasonally restricted. Thus, to investigate oviposition site preference for microbial growth in this species, we conducted an oviposition assay using single species of commensal Drosophila acetic acid bacteria, Acetobacter and Gluconobacter . The oviposition site preferences for media with or without bacterial growth were quantified in multiple strains of D. suzukii and its closely related species, D. subpulchrella and D. biarmipes , and a typical fermenting-fruit consumer, D. melanogaster . Our comparisons demonstrated a continuous degree of preference for sites with Acetobacter growth both within and across species, suggesting that the niche separation is notable but not complete. The preference for Gluconobacter showed large variations among replicates and no clear differences between the strains. In addition, the lack of interspecific differences in feeding site preference for Acetobacter -containing media implies that the interspecific divergence in oviposition site preference occurred independently from the feeding site preference. Our oviposition assays measuring the preference of multiple strains from each fly species for acetic acid bacteria growth revealed intrinsic properties of shared resource usage among these fruit fly species.

Pleiotropic genes are genes that affect more than one trait. For example, many genes required for pigmentation in the fruit fly Drosophila melanogaster also affect traits such as circadian rhythms, vision, and mating behavior. Here, we present evidence that two pigmentation genes, ebony and tan, which encode enzymes catalyzing reciprocal reactions in the melanin biosynthesis pathway, also affect cuticular hydrocarbon (CHC) composition in D. melanogaster females. More specifically, we report that ebony loss-of-function mutants have a CHC profile that is biased toward long (>25C) chain CHCs, whereas tan loss-of-function mutants have a CHC profile that is biased toward short (<25C) chain CHCs. Moreover, pharmacological inhibition of dopamine synthesis, a key step in the melanin synthesis pathway, reversed the changes in CHC composition seen in ebony mutants, making the CHC profiles similar to those seen in tan mutants. These observations suggest that genetic variation affecting ebony and/or tan activity might cause correlated changes in pigmentation and CHC composition in natural populations. We tested this possibility using the Drosophila Genetic Reference Panel (DGRP) and found that CHC composition covaried with pigmentation as well as levels of ebony and tan expression in newly eclosed adults in a manner consistent with the ebony and tan mutant phenotypes. These data suggest that the pleiotropic effects of ebony and tan might contribute to covariation of pigmentation and CHC profiles in Drosophila.

Abstract The spatiotemporal regulation of gene expression is essential to ensure robust phenotypic outcomes. Pigmentation patterns in Drosophila are formed by the deposition of different pigments synthesized in the developing epidermis and the role of cis -regulatory elements (CREs) of melanin biosynthesis pathway-related genes is well-characterized. These CREs typically exhibit modular arrangement in the regulatory region of the gene with each enhancer regulating a specific spatiotemporal expression of the gene. However, recent studies have suggested that multiple enhancers of a number of developmental genes as well as those of yellow (involved in dark pigment synthesis) exhibit redundant activities. Here we report the redundant enhancer activities in the cis -regulatory region of another gene in the melanin biosynthesis pathway, ebony , in the developing epidermis of Drosophila melanogaster . The evidence was obtained by introducing an approximately 1 kbp deletion at the endogenous primary epidermis enhancer (priEE) by genome editing. The effect of the priEE deletion on pigmentation and on the endogenous expression pattern of a mCherry -tagged ebony allele was examined in the thoracic and abdominal segments. The expression level of ebony in the priEE-deleted strains was similar to that of the control strain, indicating the presence of redundant enhancer activities that drive the broad expression of ebony in the developing epidermis. Additionally, the priEE fragment contained a silencer that suppresses ebony expression in the dorsal midline of the abdominal tergites, which is necessary for the development of the subgenus Sophophora -specific dark pigmentation patterns along the midline. The endogenous expression pattern of ebony in the priEE-deleted strains and the reporter assay examining the autonomous activity of the priEE fragment indicated that the silencer is involved in repressing the activities of both proximal and distant enhancers. These results suggest that multiple silencers are dispensable in the regulatory system of a relatively stable taxonomic character. The prevalence of other redundant enhancers and silencers in the genome can be investigated using a similar approach. Author summary Genes are expressed at the right timing and place to give rise to diverse phenotypes. The spatiotemporal regulation is usually achieved through the coordinated activities of transcription-activating and transcription-repressing proteins that bind to the DNA sequences called enhancers and silencers, respectively, located near the target gene. Most studies identified the locations of enhancers by examining the ability of the sequence fragments to regulate the expression of fused reporters. Various short enhancers have been identified using this approach. This study employed an alternative approach in which the previously identified enhancer that regulates expression of ebony (a gene involved in body color formation) was deleted in a fruitfly, Drosophila melanogaster , using the genome-editing technique. The knockout of this enhancer did not affect the transcription level of the gene to a large extent. This indicated the presence of transcription-activating elements with redundant functions outside the deleted enhancer. Additionally, the transcription of ebony at the midline of the abdomen, which is repressed in the normal flies, were derepressed in the enhancer-deleted flies, which indicated that the deleted enhancer fragment contained a silencer that negatively regulates multiple enhancer activities in a spatially restricted manner.

Abstract Background The ovipositors of some insects are external female genitalia, which have their primary function to deliver eggs. Drosophila suzukii and its sibling species D. subpulchrella are known to have acquired highly sclerotized and enlarged ovipositors upon their shifts in oviposition sites from rotting to ripening fruits. Inside the ovipositor plates, there are scale-like polarized protrusions termed “oviprovector scales” that are likely to aid the mechanical movement of the eggs. The size and spatial distribution of the scales need to be rearranged following the divergence of the ovipositors. In this study, we examined the features of the oviprovector scales in D. suzukii and its closely related species. We also investigated whether the scales are single-cell protrusions comprised of F-actin under the same conserved gene regulatory network as the well-characterized trichomes on the larval cuticular surface. Results The oviprovector scales of D. suzukii and D. subpulchrella were distinct in size and spatial arrangement compared to those of a closely related species D. biarmipes and D. melanogaster . The comparisons of the size of the scales suggested that the apical cell area of the oviprovector has expanded upon the elongation of the ovipositor plates in these species. Our transcriptome analysis revealed that 43 out of the 46 genes known to be involved in the trichome gene regulatory network are expressed in the developing female genitalia of D. suzukii and D. subpulchrella . An antibody staining depicted the presence of Shavenbaby (Svb) in the inner cavity of the developing ovipositors of D. melanogaster at 44–48 h after puparium formation (APF). Also, shavenoid ( sha ) was expressed in the corresponding patterns in the developing ovipositors and showed differential expression levels between D. suzukii and D. subpulchrella at 48 h APF. Conclusions The oviprovector scales have divergent size and spatial arrangements among species. Therefore, these scales may represent a rapidly diversifying morphological trait of the female reproductive tract reflecting ecological contexts. Furthermore, our results showed that the gene regulatory network underlying trichome formation is adopted to develop the rapidly evolving trichomes on the oviprovectors of these flies.